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铝合金薄壁件加工变形浅析



铝合金薄壁件加工变形浅析

随着电子行业的发展,铝合金薄壁腔体零件应用日益广泛,该类零件具有重量轻、结构紧凑等优点,但该类零件一直存在加工周期长、加工成本高、加工精度难以控制等难点,原因是该类零件加工过程中金属去除量大、刚性低、强度弱,容易产生较大变形,加工后难以保证零件的加工精度和表面质量。本文从分析该类零件加工变形的原因入手,研究、探讨控制、减小铝合金薄壁腔体零件加工变形的工艺方法。

1.引言


影响铝合金薄壁腔体零件的加工精度和表面质量的主要因素是该类零件加工过程中容易变形。解决铝合金薄壁腔体零件在加工过程中的变形问题,就能提高该类零件铣削加工的工作效率,提高零件的精度和质量,实现产品快速生产。
2.薄壁零件加工变形的原因

分析铝合金薄壁腔体零件的加工过程,该类零件一般由铝合金板整体加工而成,该类零件金属去除量大、刚性低,在加工过程中会因残余应力、装夹力、切削运动三方面因素引起变形。
2.1 残余应力

金属材料在形成过程中,金属晶体的排列不是理想状态的整齐排列,晶体的大小和形状不尽相同,存在原始的残余应力,随着时间缓慢释放,产生一定的形变。另外,金属切削过程中,切削的塑性变形和刀具与工件间的摩擦热,使已加工的表面和里层温差较大,产生较大的热应力,形成热应力塑性变形。

金属切削过程中产生的变形并不是单一的原因造成的,往往是几种原因组合作用的结构,而且这种组合作用在加工过程中不是一成不变的,随着加工进行的不断变化,究竟哪一种原因对变形的影响最大,很难进行判断,只能从引起变形的原因入手,采取相应的工艺方法,尽量减小加工变形。
2.2 装夹力

由于铝合金薄壁腔体零件的壁比较薄,无论采用台虎钳装夹还是卡盘装夹,都会产生横向或径向的装夹力,不可避免会产生装夹变形。装夹变形程度跟装夹力的大小有关,装夹力如果很大,就会形成不可恢复的塑性变形;如果较小,就会形成弹性变形,弹性变形会在零件卸载后恢复,但切削加工是在弹性变形没有恢复的时候进行的,单一弹性变形的恢复会为加工后的零件带来新的变形。
2.3 切削运动

切削过程是刀具和工件相互作用的过程,该过程使刀具从工件上去除部分材料。切削运动使材料的晶体颗粒间产生挤压、拉伸、拉断等现象,这些现象会使晶体的原子间产生位移,形成不可恢复的塑性变形。
3.控制、减小铝合金薄壁腔体零件加工变形的工艺方法

分析铝合金薄壁腔体零件在加工过程中变形的原因,结合日常加工生产经验,我们从工艺流程、热处理、装夹方式和切削加工四个方面着手,对控制、减小铝合金薄壁腔体零件加工变形进行研究和探讨。
3.1 优化工艺流程

工艺流程可以将粗、精加工分开,粗加工完成后,对零件进行热处理,将零件的切削应力和残余应力充分释放,再进行精加工,零件的加工质量会得到很大程度的提高,实行粗、精加工分开有以下几方面优点:

(1)减小残余应力对加工变形的影响。粗加工完成后,可以采用热处理将零件粗加工产生的应力去除,减小应力对精加工质量的影响。

(2)提高加工精度和表面质量。粗、精加工分开,精加工只是加工较小的余量,产生的加工应力和变形较小,能较大程度提高零件的质量。

(3)提高生产效率。由于粗加工只是去除多余的材料,为精加工留足够的余量,所以不过多考虑尺寸和公差,有效发挥不同型号机床的性能,提高切削效率。
3.2 热处理

零件经过切削加工后,加工表内的金属组织结构会发生很大变化,加上切削运动的影响,会产生较大的残余应力,为了减小零件的变形,需要将材料的残余应力充分释放。

铝合金薄壁腔体零件一般采用低温退火的热处理方式。低温退火热处理的温度(170℃-190℃)低于再结晶的温度,不会影响零件的强度和硬度;低温退火热处理虽然不能完全去除零件的应力,但可以去除其中的大部分,剩余的部分应力,对零件加工变形的影响较小;低温退火热处理可以通过适当的保温时间达到要求的去应力效果。

此种方式是目前机加工行业通用的消除铝材内部残存应力的手段和办法,我们假设:用低温退火热处理的温度(170℃-190℃),低于再结晶的温度来退火处理,那么当铝材热处理温度达到(170℃-190℃)时,用什么办法或者多长时间达到常温(25℃-30℃)呢?!,如果铝材的温度在热处理时是(170℃-190℃),直接从炉内拿出来或者吹风冷却到常温(25℃-30℃),铝材的性能和硬度以及因温度急剧变化而产生新的应力的情况就会变得越发突现,也就是说前功尽弃!

所以要用好此种工艺,一定要借助专用设备来实施!
3.3 改进装夹方法

在普通零件的加工过程中,装夹方式通常采用台虎钳装夹,对于圆形零件,也可以采用卡盘装夹的方式,无论是台虎钳装夹还是卡盘装夹都会不同程度产生装夹应力。装夹应力和零件卸下后的弹性恢复会使零件产生一定的变形,在粗加工阶段,由于只是去除多余的材料,可以采用台虎钳装夹。

在精加工过程只能够,必须改进装夹方式,减小装夹变形的影响,以达到设计要求的尺寸精度和形位公差。

铝合金薄壁腔体零件在受力情况下很容易变形,加工这类零件,工艺上首先要解决的是装夹引起的加工干涉问题。在铝合金薄壁腔体零件加工过程中可以参照以下方式解决装夹问题:

真空吸附装夹方式:将工件放在吸盘上,并用配套的特种密封条将其底部与外界隔开,接着将底部抽真空,当压力表显示真空达到指示值时,工件相当于加有一定的压力。

防变形装夹方式:将零件通过销钉定位,连接到安装夹具上进行加工,加工过程中台虎钳装夹的是安装夹具,不与发生零件接触;同时,零件在组装和应用时是以销钉定位的,所以加工中心以对应的销钉孔作为装夹定位基准,将更好的接近设计和使用要求,在夹具实际上也应该以对应销钉孔为基准来控制夹具的中心和方位。
3.4 高速切削加工

高速切削加工有三个优点:高效率、高精度和高编码质量、低切削温度和低切削力。切削过程中,影响工件表面质量的主要因素有切削时产生的积屑瘤、磷刺、振动以及切削刃的刃磨质量、工件材料组织缺陷、切削液使用情况等,高速切削与普通切削相比,切削深度块、材料变形速度快、应变率大,不易产生积屑瘤、磷刺。同时,由于切削速度较快,切削热大部分被切屑带走,切削表面来不及产生塑性变形,铣削加工加工已完成。

高速切削加工过程中产生的应力可以控制在很小的范围,这为高精度薄壁零件提供了可能和技术支撑,并大大缩短了加工周期,同时较好的保证了零件的尺寸精度和表面质量。
4.结语

铝合金薄壁腔体零件加工过程中,从优化工艺流程、热处理、改进装夹方式、高速切削加工四个方面综合考虑,结合零件的结构特点,制定合理的工艺流程和加工方案。就可以解决了零件加工变形问题,提高了零件的加工精度和表面质量。

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                                               二O一六年八月一日


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